自由空間光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)[圖]

自由空間光通信（Free-Space Optical Columniation，簡(jiǎn)稱FSO）是一種通過(guò)激光在大氣信道中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)間語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)，本文介紹了自由空間光通信的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1、自由空間光通信的研究現(xiàn)狀

1.1 基于光電探測(cè)器直接耦合的FSO系統(tǒng)

早在30多年前，自由空間光通信曾掀起了研究的熱潮，但當(dāng)時(shí)的器件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和大氣信道光傳輸特性本身的不穩(wěn)定性等諸多客觀因素卻阻礙了它的進(jìn)一步發(fā)展。與此同時(shí)，隨著光纖制作技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、光通信系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善和成熟，光纖通信在20世紀(jì)80年代掀起了熱潮，自由空間光通信一度陷入低谷。然而，隨著骨干網(wǎng)的基本建成以及最后一公里問(wèn)題的出現(xiàn)，以及近年來(lái)大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)、自適應(yīng)變焦技術(shù)、光學(xué)天線的設(shè)計(jì)制作及安裝校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展和成熟，自由空間光通信的研究重新得到重視。

在國(guó)外，F(xiàn)SO系統(tǒng)主要在美英等 經(jīng)濟(jì) 和技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家生產(chǎn)和使用。到目前為止，F(xiàn)SO己被多家電信運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù) 網(wǎng)絡(luò) ，比較典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奧運(yùn)會(huì)上，Terabeam公司成功地使用FSO設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實(shí)現(xiàn)了利用FSO設(shè)備向客戶提供10OMb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司還計(jì)劃4年內(nèi)在全美建設(shè)100個(gè)FSO城市網(wǎng)絡(luò)。而Airfiber公司則在美國(guó)波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)（SONET）通過(guò)光節(jié)點(diǎn)連接在一起，完成了該地區(qū)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

目前商用的FSO系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）通常采用光源直接輸出、光電探測(cè)器直接耦合的方式，這種系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)缺點(diǎn)：

（l）半導(dǎo)體激光器出射光束在水平方向和垂直方向的發(fā)散角不同，且出射光斑較粗，因此我們需要先將出射光束整形為圓高斯光束再準(zhǔn)直擴(kuò)束后發(fā)射，這樣發(fā)射端的光學(xué)系統(tǒng)就較為復(fù)雜，體積也會(huì)相應(yīng)增大。

（2）在接收端，光斑經(jīng)光學(xué)天線會(huì)聚之后直接送入PD轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。通常，我們需要提供點(diǎn)到點(diǎn)的，雙向的通信系統(tǒng)，這樣，F(xiàn)SO系統(tǒng)的每個(gè)終端都包括了激光器，探測(cè)器，光學(xué)系統(tǒng)， 電子 元器件和其中有源器件所需要的電源。這種系統(tǒng)的體積通常比較大，重量大，成本也比較高。從FSO系統(tǒng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中可以看出，完成一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路需要6個(gè)OE轉(zhuǎn)換單元。隨著人們對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，PD的成本也越來(lái)越高，6個(gè)OE轉(zhuǎn)換單元大大增加了成本閉。

（3）FSO終端設(shè)備一般安裝于樓頂，如果終端中含有大量的有源設(shè)備，會(huì)給我們的安裝帶來(lái)了很多不方便。

（4）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性很小。如果用戶所需要的帶寬增加，那么封裝在一起的整個(gè)FSO系統(tǒng)終端都需要被新的終端取代，安裝新設(shè)備的過(guò)程需要再次對(duì)準(zhǔn)，整個(gè)升級(jí)過(guò)程所需要的時(shí)間很長(zhǎng)，給人們帶來(lái)巨大的損失。

1.2 基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)

光纖輸出、光纖輸入的自由空間光通信系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），激光器輸出的高斯光束耦合至光纖再經(jīng)準(zhǔn)直出射，傳輸一定距離后，光束通過(guò)合適的聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦在光纖纖芯上，沿著光纖傳輸后經(jīng)PD接收還原信號(hào)。這樣我們通過(guò)在發(fā)射和接收端都采用光纖連接的方式，只需要在樓頂放置光學(xué)天線系統(tǒng)，而將其他的控制系統(tǒng)通過(guò)光纖放置于室內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的連接，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝。

這種新型的FSO系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①減少了不必要的E一O轉(zhuǎn)換，一條鏈路現(xiàn)在只需要2個(gè)OE接口即可，大大降低了成本。②光學(xué)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，光纖出射的光束一般為圓高斯光，不需要整形，簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)，減小了體積，易于安裝。③易于升級(jí)及維護(hù)，當(dāng)用戶的帶寬增加時(shí)，我們只需要對(duì)放置在室內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)即可，免去了復(fù)雜繁瑣的對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。④基于光纖耦合的空間光通信系統(tǒng)能夠很好的與現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利用現(xiàn)有的比較成熟的光纖通信系統(tǒng)中的器件如發(fā)射接收模塊，EDFA和WDM中所用到的復(fù)用器和解復(fù)用器。⑤可以與光碼分多址復(fù)用技術(shù)（OCDMA）相結(jié)合，構(gòu)成自由空間OCDMA系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬。

對(duì)于一個(gè)基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)而言，以下2個(gè)因素必不可少：①體積小，重量輕的光學(xué)天線系統(tǒng)一個(gè)最佳的光學(xué)天線的設(shè)計(jì)首先必須使盡可能多的光耦合進(jìn)單模光纖，獲得最大的耦合效率；其次要能通過(guò)粗跟蹤系統(tǒng)測(cè)出入射光的角度；另外，必須滿足盡可能高的通信速率和穩(wěn)定性。②性能良好的跟蹤系統(tǒng)要使光學(xué)接收天線接收到的光能夠有效的耦合進(jìn)纖芯和數(shù)值孔徑都極小的單模光纖，我們必須為系統(tǒng)加上雙向的跟蹤系統(tǒng)。

2、國(guó)內(nèi)空間光通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

我國(guó)衛(wèi)星間光通信研究與歐、美、日相比起步較晚。國(guó)內(nèi)開(kāi)展衛(wèi)星光通信的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)（系統(tǒng)模擬和關(guān)鍵技術(shù)研究）、清華大學(xué)（精密結(jié)構(gòu)終端和小衛(wèi)星研究）、北京大學(xué)（重點(diǎn)研究超窄帶濾波技術(shù)）和電子科技大學(xué)（側(cè)重于APT技術(shù)研究）。目前已完成了對(duì)國(guó)外研究情況的調(diào)研分析，進(jìn)行了星間光通信系統(tǒng)的 計(jì)算 機(jī)模擬分析及初步的實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)研究，大量的關(guān)鍵技術(shù)研究正在進(jìn)行，與國(guó)外相比雖有一定的差距，但近些年來(lái)在光通信領(lǐng)域也取得了一些顯著的成就。

2002年哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功地研制了國(guó)內(nèi)首套綜合功能完善的激光星間鏈路模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬衛(wèi)星間激光鏈路瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤、通信及其性能指標(biāo)的測(cè)試。所研制的激光星間鏈路模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的綜合功能、衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)對(duì)光通信系統(tǒng)性能的影響及對(duì)光通信關(guān)鍵單元技術(shù)的攻關(guān)研究有創(chuàng)新性，其技術(shù)水平為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，目前該項(xiàng)研究已進(jìn)入工程化研究階段。上海光機(jī)所研制出了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)155M大氣激光通信機(jī)樣機(jī)，該所承擔(dān)的“無(wú)線激光通信系統(tǒng)”項(xiàng)目也在2003年1月份通過(guò)了驗(yàn)收，該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動(dòng)跟蹤功能，其傳輸速率可達(dá)622Mb/s，通信距離可以達(dá)到2km，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為0.1mrad，響應(yīng)時(shí)間為0.2s。中科院成都光電所于2004年在國(guó)內(nèi)率先推出了10M碼率、通信距離300m的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)國(guó)產(chǎn)激光無(wú)線通信機(jī)商品。桂林激光通信研究所也在2003年正式推出FSO商品，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)8km，速率為10~155M。武漢大學(xué)于2006年在國(guó)內(nèi)首先完成42M多業(yè)務(wù)大氣激光通信試驗(yàn)，2007年3月又在國(guó)內(nèi)率先完成全空域FSO自動(dòng)跟蹤伺服系統(tǒng)試驗(yàn)，這為開(kāi)發(fā)機(jī)載、星載激光通信系統(tǒng)和地面帶自動(dòng)目標(biāo)捕獲功能的FSO系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。另外在光無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以太網(wǎng)光無(wú)線通信、USB接口光無(wú)線通信、大氣激光傳輸、大氣光通信收發(fā)模塊和信號(hào)復(fù)接/分接技術(shù)等方面都取得了多項(xiàng)成果。

3、自由空間光通信技術(shù)的應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

自由空間光通信和其他無(wú)線通信相比，具有不需要頻率許可證、頻率寬、成本低廉、保密性好，低誤碼率、安裝快速、抗電磁干擾，組網(wǎng)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。正是由于這些特點(diǎn)，F(xiàn)SO系統(tǒng)正受到電信運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越多的關(guān)注與青睞。對(duì)于有線運(yùn)營(yíng)商，F(xiàn)SO可以在城域光網(wǎng)之外提供高帶寬連接，而其成本只有地下埋設(shè)光纜的五分之一，而且不需要等6個(gè)月才能拿到施工許可證。對(duì)于無(wú)線運(yùn)營(yíng)商，在昂貴的E1/T1租用線路和帶寬較低的微波解決方案之外，F(xiàn)SO在流量回輸方面提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的替代選擇。在目前這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中，F(xiàn)SO無(wú)疑為電信運(yùn)營(yíng)商以較低的成本加速網(wǎng)絡(luò)部署，提高“服務(wù)速度”并降低網(wǎng)絡(luò)操作費(fèi)用提供了可能。而且FSO技術(shù)結(jié)合了光纖技術(shù)的高帶寬和無(wú)線技術(shù)的靈活、快速部署的特性，可以在接入層等近距離高速網(wǎng)的建設(shè)中大有用武之地，在目前許多 企業(yè) 和機(jī)構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率（如STM-1或更高）的情況下，F(xiàn)SO不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問(wèn)題的有效途徑。

FSO產(chǎn)品目前最高速率可達(dá)2.5G，最遠(yuǎn)可傳送4km，在本地網(wǎng)和邊緣網(wǎng)等近距離高速網(wǎng)的建設(shè)中大有用武之地，主要應(yīng)用于一些不宜布線或是布線成本高、施工難度大、經(jīng)市政部門(mén)審批困難的地方，如市區(qū)高層建筑物之間、公路（鐵路）兩側(cè)的建筑物之間、不易架橋的河流兩岸之間、古建筑、高山、島嶼以及沙漠地帶等。另外，F(xiàn)SO設(shè)備也可用于移動(dòng)基站的環(huán)路建設(shè)、場(chǎng)所比較分散的 企業(yè) 局域網(wǎng)子網(wǎng)之間的連接和應(yīng)急通信。對(duì)于銀行、證券、政府機(jī)關(guān)等需要穩(wěn)定服務(wù)的商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，F(xiàn)SO產(chǎn)品可以作為預(yù)防服務(wù)中斷的光纖備份設(shè)備。

當(dāng)然，F(xiàn)SO在應(yīng)用過(guò)程中也存在一定的瓶頸，主要是會(huì)受到大氣狀況或物理障礙的影響，比如其光束在傳輸中極易受大霧等惡劣天氣，物理阻隔或建筑物的晃動(dòng)/地震的影響。在惡劣的天氣下，光束傳輸?shù)木嚯x會(huì)下降，從而降低通信的可靠性，嚴(yán)重的甚至?xí)�造成通信中斷�?/p>

盡管存在不少問(wèn)題，但自由空間光通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯，其自身的特點(diǎn)決定了在一定的環(huán)境下，它可以最大發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，比如可以用于不便鋪設(shè)光纖的地方和不適宜使用微波的地方；又由于光纖成本過(guò)高，用戶無(wú)法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接入帶來(lái)的便利， 結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段寬帶 網(wǎng)絡(luò) 的實(shí)際情況——許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率（如STM-1或更高），F(xiàn)SO不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問(wèn)題的有效途徑。FSO系統(tǒng)解決了寬帶網(wǎng)絡(luò)的“最后一公里”的接入，實(shí)現(xiàn)了光纖到桌面，完成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像的高速傳輸，拉動(dòng)了聲訊服務(wù)業(yè)和互動(dòng)影視傳播，實(shí)現(xiàn)了“三網(wǎng)融合”，有利于 電子 政務(wù)、電子商務(wù)、遠(yuǎn)程 教育 及遠(yuǎn)程醫(yī)療的 發(fā)展 ，并產(chǎn)生了巨大的效益，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景。